【科普文】三种处理器：CPU,GPU,NPU到底是什么？_npu和gpu

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从最早的CPU到GPU, 再到现在的NPU。处理器的型号和种类越来越多。每种处理器适用与不同的产品以及功能。下面来介绍三种处理器的区别和应用场景

CPU (中央处理器)

CPU是计算机系统的核心，负责执行程序指令、处理数据和控制其他硬件设备。它通常由控制单元、算术逻辑单元（ALU）和寄存器组成。CPU的设计使其能够处理各种类型的计算任务，包括复杂的逻辑运算和数据处理。CPU的通用性使其成为执行操作系统和应用程序的理想选择。

特点：

• 通用性：能够执行各种类型的计算任务。

• 复杂性：能够处理复杂的指令集和多任务操作。

• 性能：在单线程性能上通常优于专用处理器。

主要厂商:

1. Intel - 明星产品：Core i9、Core i7、Core i5 系列、Xeon 服务器处理器。

2. AMD - 明星产品：Ryzen 系列、EPYC 服务器处理器。

3. ARM (主要通过授权给其他公司生产) - 明星产品：Cortex-A72、Cortex-A76 等。

4. IBM - 明星产品：Power 系列服务器处理器。

5. Qualcomm - 明星产品：Snapdragon 移动处理器系列。

6. Apple - 明星产品：A 系列移动处理器，如 A15 Bionic。

7. 华为 (HiSilicon) - 明星产品：Kirin 系列移动处理器。

8. 三星 (Samsung) - 明星产品：Exynos 系列移动处理器。

GPU (图形处理单元)

GPU最初设计用于处理图形和图像相关的计算任务，如3D图形渲染。它包含大量的小核心，这些核心可以并行处理大量的数据，特别适合于执行图形渲染中的矩阵和向量运算。随着时间的发展，GPU也开始被用于执行非图形相关的并行计算任务，这一领域被称为通用GPU计算（GPGPU）。

特点：

• 并行性：拥有大量小核心，适合并行处理大量数据。

• 专用性：最初设计用于图形处理，但现在已经扩展到其他类型的计算。

• 性能：在并行计算任务上性能优越，尤其是在图形渲染和某些科学计算任务上。

主要厂商:

1. NVIDIA - 明星产品：GeForce RTX 30 系列、Quadro 专业图形卡、Tesla 数据中心GPU。

2. AMD - 明星产品：Radeon RX 6000 系列、Radeon Pro 专业图形卡。

3. Intel - 明星产品：Intel Iris Xe 显卡、Xe HPG 系列。

4. Imagination Technologies - 明星产品：PowerVR 系列 GPU。

5. Qualcomm - 明星产品：Adreno 系列 GPU，主要集成在 Snapdragon 移动处理器中。

NPU (嵌入式神经网络处理器)

NPU是一种专门为加速神经网络计算而设计的处理器。它针对深度学习算法进行了优化，能够高效地执行卷积、池化和激活函数等操作。NPU通常用于处理视频、图像和语音识别等任务，这些任务在传统的CPU和GPU上可能效率较低。

特点：

• 专用性：专门为深度学习算法和神经网络计算设计。

• 高效性：在执行深度学习任务时，性能和能效比传统处理器更高。

• 灵活性：可以通过软件或硬件编程来适应不同的网络运算特性。

主要厂商:

1. Google - 明星产品：Tensor Processing Unit (TPU)，用于加速机器学习工作负载。

2. NVIDIA - 明星产品：A100、DGX 系统，包含 Tensor Cores 用于深度学习。

3. 华为 (HiSilicon) - 明星产品：Ascend 系列 AI 处理器。

4. 寒武纪 (Cambricon) - 明星产品：MLU100、MLU270 系列 AI 处理器。

5. 平头哥 (T-Head) - 明星产品：含光 800 AI 推理芯片。

6. Intel - 明星产品：Nervana Neural Network Processor (NNP)，虽然项目已停止，但展示了Intel在AI领域的探索。

三种处理器的区别

• 设计目的：CPU设计为通用处理器，GPU设计用于图形处理，而NPU专为神经网络和深度学习任务。

• 架构：CPU通常有较少的核心，但每个核心都能执行复杂的任务；GPU有大量小核心，适合并行处理；NPU则针对特定的深度学习算法进行了硬件优化。

• 应用领域：CPU适用于广泛的计算任务，GPU最初用于图形处理，现在也用于并行计算；NPU主要用于加速深度学习和人工智能相关的计算任务。

• 性能：在特定的任务上，每种处理器都有其性能优势。CPU在单线程任务上表现良好，GPU在并行计算上性能突出，而NPU在深度学习任务上效率更高。

AI应用选NPU还是GPU

在进行深度学习任务时，选择NPU（神经网络处理器）还是GPU（图形处理单元）取决于多种因素，包括任务的具体需求、预算、系统架构和软件生态系统等。以下是一些关键点，可以帮助你在NPU和GPU之间做出决策：

1. 任务特性

• 卷积网络和Transformer架构：如果你的深度学习任务主要依赖于卷积神经网络（CNN）或Transformer架构，这些模型通常需要大量的矩阵乘法和并行计算能力。GPU由于其并行处理能力，特别适合这类任务。

• 循环神经网络：对于依赖于循环神经网络（RNN）的任务，显存带宽可能比计算能力更为重要。在这种情况下，具有高带宽的GPU或特定设计的NPU可能更合适。

2. 性能和效率

• 计算性能：GPU通常提供高FLOPs（每秒浮点运算次数），适合于需要大量计算的任务。而NPU可能在特定类型的操作（如int8矩阵乘法）上提供更高的效率。

• 能效比：NPU通常在能效上有所优化，特别是在执行深度学习任务时。如果能源消耗是一个重要考虑因素，NPU可能是更好的选择。

3. 硬件特性

• 显存和带宽：GPU通常拥有较大的显存和高带宽，这对于处理大型数据集和复杂模型非常有用。NPU可能在显存和带宽方面有所不同，这取决于具体的设计和用途。

• 张量核心和专用硬件：现代GPU（如NVIDIA的Tensor Cores）和NPU都包含专门的硬件加速器来优化深度学习操作。考虑这些特性对于特定任务的性能提升。

4. 软件和生态系统

• 软件支持：NVIDIA GPU拥有广泛的软件支持，包括CUDA、cuDNN等，这些工具和库已经针对深度学习任务进行了优化。NPU的软件支持可能因制造商而异，需要考虑是否有成熟的开发工具和社区支持。

• 框架兼容性：检查你打算使用的深度学习框架是否支持所选的NPU或GPU，并考虑迁移成本和潜在的性能损失。

5. 预算和可用性

• 成本效益：在预算有限的情况下，需要权衡性能和成本。有时候，高性能的GPU可能价格昂贵，而NPU可能提供更具成本效益的解决方案。

• 市场供应：考虑到市场供应情况，如GPU短缺或价格波动，可能会影响你的选择。